EP2384542A1 - Oszillator mit ohmsch einstellbarer schwingfrequenz - Google Patents

Oszillator mit ohmsch einstellbarer schwingfrequenz

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EP2384542A1
EP2384542A1 EP10702865A EP10702865A EP2384542A1 EP 2384542 A1 EP2384542 A1 EP 2384542A1 EP 10702865 A EP10702865 A EP 10702865A EP 10702865 A EP10702865 A EP 10702865A EP 2384542 A1 EP2384542 A1 EP 2384542A1
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EP
European Patent Office
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adjustable
oscillator
transistor
resonator
ohmic resistance
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EP10702865A
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Rainer Weber
Ingmar Kallfass
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B5/00—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input
    • H03B5/18—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element comprising distributed inductance and capacitance
    • H03B5/1805—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element comprising distributed inductance and capacitance the frequency-determining element being a coaxial resonator
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B5/00—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input
    • H03B5/18—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element comprising distributed inductance and capacitance
    • H03B5/1841—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element comprising distributed inductance and capacitance the frequency-determining element being a strip line resonator
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B5/00—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input
    • H03B5/20—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element comprising resistance and either capacitance or inductance, e.g. phase-shift oscillator
    • H03B5/24—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element comprising resistance and either capacitance or inductance, e.g. phase-shift oscillator active element in amplifier being semiconductor device

Definitions

  • the present application relates to an oscillator with ohmic adjustable oscillation frequency.
  • Oscillators are circuits for generating high-frequency vibrations.
  • the core of an oscillator is an active device with a non-linear characteristic, such as a transistor or a diode.
  • the oscillation frequency f of the oscillator is specified via a resonant circuit and its effective capacitance C and inductance L:
  • the resonant circuit which can also be referred to as a resonator, can be realized with all frequency-selective components whose behavior can be described by an equivalent circuit of capacitance and inductance. Examples of these are discrete LC resonant circuits, dielectric resonators, cavity resonators or line resonators.
  • oscillators In addition to fixed-frequency oscillators with only one oscillation frequency, there are still oscillators that can be changed in their oscillation frequency.
  • the oscillation frequency can be varied by modifying the frequency-determining components of the resonant circuit mechanically or electrically. Mechanically modifiable components are eliminated in many applications where a fast frequency change is important.
  • voltage controlled components are used in the oscillator. If voltage-controlled components are used in oscillators, this is referred to as voltage-controlled oscillators or VCOs (voltage-controlled oscillators).
  • VCOs voltage-controlled oscillators
  • VCOs voltage-controlled oscillators
  • a general problem of monolithic integrated circuits is the dependence on a particular technology and its transistor architecture. For example, transistors for the millimeter-wave range are optimized for speed, which, however, does not allow the development of varactor diodes with optimum properties.
  • monolithically integrated VCOs operating with varactor diodes often have a bandwidth of 5 to 8%, based on the average oscillation frequency. A higher bandwidth of, for example, more than 10% is associated with monolithically integrated varactor diodes with increased complexity and effort.
  • the object of the present invention is to provide an oscillator with adjustable oscillation frequency, which allows high tuning bandwidths.
  • Embodiments of the invention provide an oscillator with adjustable oscillation frequency, having the following features:
  • a resonant circuit coupled to the terminal of the active device that exhibits the negative input resistance; and an element with adjustable ohmic resistance, by which the oscillation frequency of the oscillator is adjustable.
  • the element with adjustable ohmic resistance can be used to vary the impedance of the resonant circuit and / or the impedance of a circuit structure with which the active element is connected to produce the negative input resistance.
  • the effective length of a resonator line forming the resonant circuit can be adjusted to thereby adjust the resonant frequency of the oscillator.
  • the element with adjustable ohmic resistance can be a transistor whose ohmic resistance can be adjusted via its control voltage.
  • the oscillation frequency of the oscillator can be infinitely adjustable.
  • Embodiments of the present invention allow for higher tuning bandwidths of an oscillator with adjustable oscillation frequency than can be achieved with conventional methods.
  • the present invention is therefore of particular interest for monolithically integrated VCOs in the millimeter and sub-millimeter wave range from 30 GHz, in which a large tuning bandwidth is required.
  • the inventive concept advantageously allows integration of oscillators with existing transmission / reception circuits and radar circuits on a chip. This can reduce the cost of construction and complete systems can be implemented smaller, lighter and more energy-efficient, which in turn can reduce the price.
  • Embodiments of the invention thus provide voltage-controlled oscillators (VCOs) which are used as frequency-sensitive oscillators.
  • tuning component use an ohmically tunable element or a voltage-controlled resistor.
  • a transistor is used in parallel connection as the frequency-determining component.
  • the element is connected to an adjustable ohmic resistance to change the effective electrical length or the impedance of a high-frequency line by changing the ohmic resistance of the same.
  • an element with adjustable ohmic resistance can be used in any supply line of the transistor in order to influence the behavior of the transistor in such a way that the resonant frequency of the oscillator changes due to a change in the ohmic resistance.
  • the oscillator may have only two discrete oscillation frequencies by the element with adjustable resistance between two extreme values is switchable. As a result of this switching, in embodiments between two extreme values of the adjustable electrical length or impedance, a high-frequency line can be switched over.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of an oscillator according to the invention
  • Fig. 3 shows a third embodiment of an oscillator according to the invention.
  • the oscillator comprises an active element in the form of a field effect transistor 10.
  • the source terminal S of the field effect transistor Sistor 10 is connected via an element 12 for generating an instability with a reference potential, such as ground.
  • the drain terminal D of the field effect transistor 10 is connected via an impedance matching network 14 to an output 16 of the oscillator.
  • the instability inducing element 12 is designed to provide a negative input resistance at a gate terminal G of the field effect transistor 10.
  • a line resonator Connected to the gate terminal G of the field effect transistor 10 is a line resonator having resonator line sections 18a and 18b.
  • the line resonator represents a resonant circuit coupled to the gate terminal G.
  • Line resonators can be implemented by short-circuited or open high-frequency lines, at the end of which high-frequency energy is reflected, so that a standing wave is formed.
  • the resonant frequency of the oscillator is dependent on the length of the resonator.
  • a long line causes a lower and a short line a high oscillation frequency.
  • the line resonator or the resonator line sections can be implemented as short-circuited or open high-frequency lines.
  • the oscillator also has another field effect transistor 20, which represents an element with adjustable ohmic impedance. More specifically, the resistance between the drain terminal and the source terminal of the transistor 20 is adjustable via a control terminal 22 by varying the voltage at the gate terminal G of the transistor 20.
  • the ohmic variable element formed by the transistor 20 is between a tap 24 between the Resonator effete 18a and 18b and a reference potential, such as ground, connected.
  • This element 22 thus represents a transistor in parallel, a so-called shunt transistor.
  • the transistor 20 allows, depending on a control voltage at the control terminal 22, a variable current flow from the tap 24 against the reference potential. Thereby, the effective length and impedance of the line resonator, which is connected to the gate of the transistor 10, via the control voltage of the transistor 20 can be changed.
  • the signal conductor of the resonator line is short-circuited at the location of tap 24 and the reduced resonator length of resonator line section 18a is effective.
  • the entire length of the resonator line that is, the combined length of the resonator line sections 18a and 18b is effective when the transistor 20 is in the open state.
  • the oscillator in FIG. 1 can be supplied, for example, with power via the matching network 14, wherein an oscillator output signal with an oscillating frequency is generated at the output 16.
  • a power supply can be implemented, for example, by connecting the drain terminal of the field effect transistor 10 to a supply voltage potential via a choke coil.
  • the oscillation frequency of the output signal is adjustable via a change in the control voltage of the transistor 20. For example, it can be switched between two oscillation frequencies by the transistor 20 is turned on or off. Alternatively, the oscillation frequency can be fine-tuned by controlling the resistance of the transistor to corresponding intermediate values.
  • FIG. 2 shows an alternative embodiment in which the transistor 20 is not connected in parallel as a transistor is connected, but is connected in series between the two resonator line sections 18a and 18b.
  • the effective length or impedance of the resonator line and thus the oscillation frequency can be set.
  • the impedance of the transistor is in turn variable between an open state and a conductive state. In the open state of the transistor 20, only the length of the resonator line section 18a is effective, while in the conducting state, the length of both resonator line sections 18a and 18b is effective.
  • the oscillation frequency of the oscillator signal at the output 16 can be adjusted.
  • the element with adjustable ohmic resistance is provided to vary the impedance of the resonant circuit of the oscillator.
  • 3 shows an alternative embodiment in which an element with adjustable ohmic resistance, which in turn is formed by a transistor 20, is provided to the impedance of the circuit structure, which is responsible for generating the negative input resistance of the active element 10 to vary. This also allows the oscillation frequency of the oscillator signal to be set at the output 16.
  • a line resonator 18 is connected to the gate terminal of the active element 10.
  • the drain terminal D is in turn connected via the matching network 14 to the output 16.
  • the source terminal is connected to a reference potential, such as ground, via a radio frequency line having line sections 12a and 12b.
  • the element with adjustable ohmic resistance 20 is between a tap 30 between the line sections 12a and 12b and a reference potential, such as ground, connected.
  • a reference potential such as ground
  • line sections 18a, 18b and 12a and 12b may be formed by separate high-frequency lines or by a single high-frequency line having a suitable tap at a suitable location, for example in the center.
  • the resonator lines or resonator line sections may be formed for example by microstrip lines or coplanar lines.
  • the resonant circuit may also be implemented by discrete capacitive and inductive elements. Also in such a case, one or more elements with adjustable ohmic resistance, such as transistors, may be used to vary the impedance of the resonant circuit to thereby adjust the oscillating frequency of the oscillator signal.
  • transistor switches could be used to switch capacitances or inductances into and out of a resonant circuit, thus varying the impedance of the resonant circuit.
  • elements with adjustable ohmic resistance can be provided by which both the impedance of the resonant circuit and the impedance of the switching structure provided for generating the negative input resistance can be varied.
  • the element with adjustable ohmic resistance is formed by a transistor.
  • any ohmic variable element may be used, for example a diode or, in general, a voltage-dependent resistor.
  • the above embodiments have been described with reference to field effect transistors. It will be apparent to those skilled in the art that bipolar transistors may be used instead of field effect transistors, in which case the source, drain and gate terminals are to be respectively replaced by the emitter, collector and base terminals.
  • the oscillation circuit is connected to the control terminal (gate terminal or base terminal) of the transistor.
  • the resonant circuit may be connected to any one of the transistors (dram terminal or collector terminal or emitter terminal) of the transistor having a negative input resistance. as long as the other connections are connected in such a way that a swingable system results.
  • Implementations for the matching network 14, for example, to accommodate 50 ohm line matching and to provide power to the oscillator, will be apparent to those skilled in the art and need not be further explained herein.
  • the theory of oscillators in which an active element on a port connected to a resonator provides a negative resistance is known to those skilled in the art.
  • Suitable circuitry of an active element such as a field effect transistor or a bipolar transistor, with an element for generating an instability, such as an inductance, a capacitance, and / or a high frequency line, to provide such negative resistance will be apparent to those skilled in the art also no further explanation.
  • an active element such as a field effect transistor or a bipolar transistor
  • an element for generating an instability such as an inductance, a capacitance, and / or a high frequency line
  • Embodiments of the present invention thus provide a novel approach to varying the frequency of oscillation of a VCO, whereby higher through-voice bandwidths can be realized than with conventional methods. Furthermore, the present invention makes possible an excellent integration possibility with existing circuit concepts, for example transmit / receive circuits and radar circuits on a chip, so that complete systems can be implemented smaller, lighter and more energy-efficient with little effort.

Landscapes

  • Inductance-Capacitance Distribution Constants And Capacitance-Resistance Oscillators (AREA)

Abstract

Ein Oszillator mit einstellbarer Schwingfrequenz weist ein aktives Bauelement, das an einem Anschluss einen negativen Eingangswiderstand zeigt, einen Schwingkreis, der mit dem Anschluss des aktiven Bauelements, der den negativen Eingangswiderstand zeigt, gekoppelt ist, und ein Element mit einstellbarem ohmschen Widerstand, durch das die Schwingfrequenz des Oszillators einstellbar ist, auf.

Description

Oszillator mit ohmsch einstellbarer Schwingfrequenz
Beschreibung
Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf einen Oszillator mit ohmsch einstellbarer Schwingfrequenz.
Oszillatoren sind Schaltungen zur Erzeugung von hochfre- quenten Schwingungen. Der Kern eines Oszillators ist ein aktives Bauelement mit einer nichtlinearen Kennlinie, wie beispielsweise ein Transistor oder eine Diode. Die Schwingfrequenz f des Oszillators wird über einen Schwingkreis und deren wirksame Kapazität C und Induktivität L vorgegeben:
/ = • l
Der Schwingkreis, der auch als Resonator bezeichnet werden kann, kann mit allen frequenzselektiven Bauelementen reali- siert werden, deren Verhalten sich mit einem Ersatzschaltbild aus Kapazität und Induktivität beschreiben lässt. Beispiele hierfür sind diskrete LC-Schwingkreise, dielektrische Resonatoren, Hohlraumresonatoren oder Leitungsresonatoren.
Neben Festfrequenz-Oszillatoren mit nur einer Schwingfrequenz gibt es noch Oszillatoren, die sich in ihrer Schwingfrequenz verändern lassen. Die Schwingfrequenz lässt sich variieren, indem frequenzbestimmende Bauteile des Schwing- kreises mechanisch oder elektrisch verändert werden. Mechanisch veränderbare Bauelemente scheiden bei vielen Anwendungen aus, bei denen es auf eine schnelle Frequenzänderung ankommt. Für derartige Anwendungen werden spannungsgesteuerte Bauteile im Oszillator verwendet. Werden spannungsge- steuerte Bauteile in Oszillatoren verwendet, spricht man von spannungsgesteuerten Oszillatoren bzw. VCOs (voltage controlled oscillators) . Bei bisherigen VCO-Konzepten wird die spannungsabhängige Sperrschichtkapazität von Varaktor- Dioden oder die spannungsgesteuerte Kapazität eines Transistors ausgenutzt, um die wirksame Kapazität des Resonators zu verändern und somit die Schwingfrequenz des Oszil- lators zu variieren.
Ein generelles Problem von monolithisch integrierten Schaltkreisen ist die Abhängigkeit von einer bestimmten Technologie und deren Transistorarchitektur. So sind Tran- sistoren für den Millimeterwellenbereich auf Schnelligkeit optimiert, woraus sich jedoch keine Varaktor-Dioden mit optimalen Eigenschaften realisieren lassen. Darüber hinaus besitzen monolithisch integrierte VCOs, die mit Varaktor- Dioden arbeiten, häufig eine Bandbreite von 5 bis 8%, bezo- gen auf die mittlere Schwingfrequenz. Eine höhere Bandbreite von beispielsweise mehr als 10% ist mit monolithisch integrierten Varaktor-Dioden mit einem erhöhten Aufwand und Komplexität verbunden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Oszillator mit einstellbarer Schwingfrequenz zu schaffen, der hohe Durchstimmbandbreiten ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch einen Oszillator gemäß Anspruch 1 gelöst.
Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen einen Oszillator mit einstellbarer Schwingfrequenz, mit folgenden Merkmalen:
einem aktiven Bauelement, das an einem Anschluss einen negativen Eingangswiderstand zeigt;
einem Schwingkreis, der mit dem Anschluss des aktiven Bau- elements, das den negativen Eingangswiderstand zeigt, gekoppelt ist; und einem Element mit einstellbarem ohmschen Widerstand, durch das die Schwingfrequenz des Oszillators einstellbar ist.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann durch das EIe- ment mit einstellbarem ohmschen Widerstand die Impedanz des Schwingkreises und/oder die Impedanz einer Schaltungsstruktur, mit der das aktive Element geschaltet ist, um den negativen Eingangswiderstand zu erzeugen, variiert werden. Bei Ausführungsbeispielen kann durch das Element mit ein- stellbaren ohmschen Widerstand die wirksame Länge einer Resonatorleitung, die den Schwingkreis bildet, eingestellt werden, um dadurch die Resonanzfrequenz des Oszillators einzustellen. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann das Element mit einstellbarem ohmschen Widerstand ein Tran- sistor sein, dessen ohmscher Widerstand über seine Steuerspannung eingestellt werden kann. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann die Schwingfrequenz des Oszillators stufenlos einstellbar sein.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen höhere Durchstimmbandbreiten eines Oszillators mit einstellbarer Schwingfrequenz als sie mit herkömmlichen Verfahren erreicht werden können. Die vorliegende Erfindung ist somit insbesondere interessant für monolithisch integ- rierte VCOs im Millimeter- und Sub-Millimeter-Wellenbereich ab 30 GHz, bei denen eine große Durchstimmbandbreite benötigt wird. Gerade bei Radarsystemen besteht ein direkter Zusammenhang von Bandbreite und Ortsauflösung.
Das erfindungsgemäße Konzept ermöglicht vorteilhaft eine Integration von Oszillatoren mit bereits bestehenden Sende- /Empfangsschaltungen und Radarschaltungen auf einem Chip. Dadurch kann der Aufwand für den Aufbau sinken und Komplettsysteme können kleiner, leichter und energiesparender implementiert werden, was wiederum den Preis senken kann.
Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen somit spannungsgesteuerte Oszillatoren (VCOs) , die als frequenzbe- stimmendes Bauteil ein ohmisch durchstimmbares Element bzw. einen spannungsgesteuerten Widerstand verwenden. Bei Ausführungsbeispielen wird als frequenzbestimmendes Bauteil ein Transistor in Parallelschaltung verwendet. Bei Ausfüh- rungsbeispielen ist das Element mit einstellbarem ohmschen Widerstand verschaltet, um durch das Ändern des ohmschen Widerstandes desselben die wirksame elektrische Länge oder die Impedanz einer Hochfrequenzleitung zu verändern. Allgemein kann ein Element mit einstellbarem ohmschen Widerstand in irgendeiner Zuleitung des Transistors verwendet werden, um damit das Verhalten des Transistors in der Hinsicht zu beeinflussen, dass sich die Resonanzfrequenz des Oszillators durch eine Änderung des ohmschen Widerstands verändert. Bei Ausführungsbeispielen kann der Oszillator nur zwei diskrete Schwingfrequenzen besitzen, indem das Element mit einstellbarem ohmschen Widerstand zwischen zwei Extremwerten umschaltbar ist. Durch dieses Umschalten kann bei Ausführungsbeispielen zwischen zwei Extremwerten der einstellbaren elektrischen Länge oder Impedanz eine Hochfre- quenzleitung umgeschaltet werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen, in denen gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen be- zeichnet sind, näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Oszillators;
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Oszillators; und
Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Oszillators.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst der Oszillator ein aktives Element in Form eines Feldeffekttransistors 10. Der Source-Anschluss S des Feldeffekttran- sistors 10 ist über ein Element 12 zur Erzeugung einer Instabilität mit einem Bezugspotential, beispielsweise Masse, verbunden. Der Drainanschluss D des Feldeffekttransistors 10 ist über ein Impedanzanpassnetzwerk 14 mit einem Ausgang 16 des Oszillators verbunden.
Das Element 12 zur Erzeugung einer Instabilität ist ausgelegt, um an einem Gateanschluss G des Feldeffekttransistors 10 einen negativen Eingangswiderstand bereitzustellen.
Mit dem Gate-Anschluss G des Feldeffekttransistors 10 verbunden ist ein Leitungsresonator, der Resonatorleitungsabschnitte 18a und 18b aufweist. Der Leitungsresonator stellt einen Schwingkreis, der mit dem Gateanschluss G gekoppelt ist, dar.
Leitungsresonatoren können durch kurzgeschlossene oder offene Hochfrequenzleitungen implementiert sein, an deren Ende hochfrequente Energie reflektiert wird, so dass sich ei- ne stehende Welle bildet. Die Resonanzfrequenz des Oszillators ist dabei von der Länge der Resonatorleitung abhängig. Eine lange Leitung bewirkt eine niedrigere und eine kurze Leitung eine hohe Schwingfrequenz. Entsprechend kann der Leitungsresonator bzw. können die Resonatorleitungsab- schnitte bei Ausführungsbeispielen der Erfindung als kurzgeschlossene oder offene Hochfrequenzleitungen implementiert sein.
Der Oszillator weist ferner einen weiteren Feldeffekttran- sistor 20 auf, der ein Element mit einstellbarer ohmscher Impedanz darstellt. Genauer gesagt ist der ohmsche Widerstand zwischen dem Drainanschluss und dem Sourceanschluss des Transistors 20 über ein Variieren der Spannung am Gateanschluss G des Transistors 20 über einen Steueranschluss 22 einstellbar.
Das ohmisch variable Element, das durch den Transistor 20 gebildet ist, ist zwischen einen Abgriff 24 zwischen den Resonatorleitungsabschnitten 18a und 18b und ein Referenzpotential, beispielsweise Masse, geschaltet. Dieses Element 22 stellt somit einen Transistor in Parallelschaltung, einen sog. Shunt-Transistor, dar.
Der Transistor 20 ermöglicht, abhängig von einer Steuerspannung an dem Steueranschluss 22, einen variablen Strom- fluss von dem Abgriff 24 gegen das Bezugspotential. Dadurch kann die wirksame Länge und Impedanz des Leitungsresona- tors, der mit dem Gate des Transistors 10 verbunden ist, über die Steuerspannung des Transistors 20 geändert werden.
In einem Extremfall ist bei leitendem Transistor 22 der Signalleiter der Resonatorleitung an der Stelle des Ab- griffs 24 kurzgeschlossen und die reduzierte Resonatorlänge des Resonatorleitungsabschnitts 18a ist wirksam. Im entgegengesetzten Extremfall ist die gesamte Länge der Resonatorleitung, das heißt die kombinierte Länge der Resonatorleitungsabschnitte 18a und 18b wirksam, wenn sich der Tran- sistor 20 im offenen Zustand befindet.
Im Betrieb kann der Oszillator in Fig. 1 beispielsweise ü- ber das Anpassnetzwerk 14 mit Leistung versorgt werden, wobei am Ausgang 16 ein Oszillatorausgangssignal mit einer Schwingfrequenz erzeugt wird. Eine Leistungsversorgung kann beispielsweise durch eine Verbindung des Drain-Anschlusses des Feldeffekttransistors 10 mit einem Versorgungsspan- nungspotential über eine Drosselspule implementiert sein. Die Schwingfrequenz des Ausgangssignals ist über ein Verän- dern der Steuerspannung des Transistors 20 einstellbar. Beispielweise kann es zwischen zwei Schwingfrequenzen umgeschaltet werden, indem der Transistor 20 ein- oder ausgeschaltet wird. Alternativ kann eine Feinabstimmung der Schwingfrequenz erfolgen, indem der Widerstand des Transis- tors auf entsprechende Zwischenwerte gesteuert wird.
Fig. 2 zeigte ein alternatives Ausführungsbeispiel, bei dem der Transistor 20 nicht als Transistor in Parallelschaltung verschaltet ist, sondern seriell zwischen die beiden Resonatorleitungsabschnitte 18a und 18b geschaltet ist. Auch hier kann durch Variieren der Steuerspannung am Steueran- schluss 22 die wirksame Länge bzw. Impedanz der Resonator- leitung und somit die Schwingfrequenz eingestellt werden. Die Impedanz des Transistors ist wiederum zwischen einem offenen Zustand und einem leitenden Zustand variierbar. Im offenen Zustand des Transistors 20 ist nur die Länge des Resonatorleitungsabschnitts 18a wirksam, während im leiten- den Zustand die Länge beider Resonatorleitungsabschnitte 18a und 18b wirksam ist. Somit kann auch bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel über ein Steuern des Widerstands des Transistors 20 die Schwingfrequenz des Oszillatorsignals am Ausgang 16 eingestellt werden.
Bei den in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispielen ist das Element mit einstellbarem ohmschen Widerstand vorgesehen, um die Impedanz des Schwingkreises des Oszillators zu variieren. Fig. 3 zeigt ein alternatives Ausführungsbei- spiel, bei dem ein Element mit einstellbarem ohmschen Widerstand, das wiederum durch einen Transistor 20 gebildet ist, vorgesehen ist, um die Impedanz der Schaltungsstruktur, die für das Erzeugen des negativen Eingangswiderstands des aktiven Elements 10 verantwortlich ist, zu variieren. Auch dadurch kann die Schwingfrequenz des Oszillatorsignals am Ausgang 16 eingestellt werden.
Bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Leitungsresonator 18 mit dem Gateanschluss des aktiven EIe- ments 10 verbunden. Der Drainanschluss D ist wiederum über das Anpassnetzwerk 14 mit dem Ausgang 16 verbunden. Der Sourceanschluss ist über eine Hochfrequenzleitung, die Leitungsabschnitte 12a und 12b aufweist, mit einem Bezugspotential, beispielsweise Masse verbunden.
Das Element mit einstellbarem ohmschen Widerstand 20 ist zwischen einen Abgriff 30 zwischen den Leitungsabschnitten 12a und 12b und ein Bezugspotential, beispielsweise Masse, geschaltet. Durch ein Andern der Steuerspannung an dem Steueranschluss 22 ist wiederum die ohmsche Impedanz, die zwischen dem Abgriff 30 und dem Bezugspotential vorliegt, einstellbar, so dass dadurch die Impedanz des zwischen den Source-Anschluss des Transistors 10 und das Bezugspotential geschalteten Schaltungsstruktur einstellbar ist. Dadurch ist wiederum die Schwingfrequenz des Oszillatorsignals am Ausgang 16 einstellbar.
In der obigen Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung wurde jeweils auf Leitungsabschnitte 18a, 18b bzw. 12a und 12b Bezug genommen. Diese Leitungsabschnitte können durch separate Hochfrequenzleitungen gebildet sein oder durch eine einzige Hochfrequenzleitung, die an geeig- neter Stelle, beispielsweise mittig, einen entsprechenden Abgriff aufweist. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung können die Resonatorleitungen bzw. Resonatorleitungsabschnitte beispielsweise durch Mikrostreifenleitungen oder Koplanarleitungen gebildet sein.
Für monolithisch integrierte Oszillatoren für den Millimeterwellenbereich (30 bis 300 GHz) werden vorteilhaft Leitungsresonatoren statt Schwingkreisen aus Kapazitäten und Induktivitäten eingesetzt, weil sich insbesondere Indukti- vitäten für diesen Frequenzbereich nur schwer realisieren lassen. Bei alternativen Ausfuhrungsbeispielen kann der Schwingkreis jedoch auch durch diskrete kapazitive und induktive Elemente implementiert sein. Auch in einem solchen Fall können ein oder mehrere Elemente mit einstellbarem ohmschen Widerstand, beispielsweise Transistoren, verwendet sein, um die Impedanz des Schwingkreises zu verändern, um dadurch die Schwingfrequenz des Oszillatorsignals einzustellen. Beispielsweise konnten bei Ausführungsbeispielen Transistorschalter verwendet werden, um Kapazitäten bzw. Induktivitäten in und aus einem Schwingkreis zu schalten, um somit die Impedanz des Schwingkreises zu variieren. Bezug nehmend auf die obigen Ausführungsbeispiele wurde jeweils nur ein Element mit einstellbarem ohmschen Widerstand beschrieben. Es ist für Fachleute offensichtlich, dass mehrere entsprechende Elemente vorgesehen sein können, bei- spielsweise um zwischen einer größeren Zahl als zwei effektiven Resonatorleitungslängen umzuschalten. Ferner können bei alternativen Ausführungsbeispielen Elemente mit einstellbarem ohmschen Widerstand vorgesehen sein, durch die sowohl die Impedanz des Schwingkreises als auch die Impe- danz der zur Erzeugung des negativen Eingangswiderstands vorgesehenen Schaltstruktur variiert werden können.
Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen ist das Element mit einstellbarem ohmschen Widerstand durch einen Transis- tor gebildet. Alternativ kann als ein Element mit einstellbarem ohmschen Widerstand ein beliebiges ohmisch variables Element verwendet werden, beispielsweise eine Diode oder generell ein spannungsabhangiger Widerstand. Die obigen Ausführungsbeispiele wurden Bezug nehmend auf Feldeffekttransistoren beschrieben. Es ist für Fachleute offensichtlich, dass statt Feldeffekttransitoren auch Bipolartransistoren verwendet werden können, wobei dann die Source-, Drain- und Gateanschlüsse jeweils entsprechend durch die Emitter-, Kollektor- und Basisanschlusse zu er- setzen sind.
Bei den obigen Ausfuhrungsbeispielen ist der Schwingkreis mit dem Steueranschluss (Gate-Anschluss oder Basis- Anschluss) des Transistors verbunden. Wie für Fachleute of- fensichtlich ist, kann abhangig von der verwendeten Konfiguration der Schwingkreis mit einem beliebigen Anschluss (Dram-Anschluss oder Source-Anschluss bzw. Kollektor- Anschluss oder Emitter-Anschluss) des Transistors, der einen negativen Eingangswiderstand zeigt, verbunden sein, so- lange die anderen Anschlüsse derart beschaltet sind, dass sich ein schwingfähiges System ergibt. Implementierungen für das Anpassnetzwerk 14, um beispielsweise eine Anpassung auf eine 50-Ohm-Leitung zu liefern, und um eine Leistungsversorgung des Oszillators zu ermöglichen, sind für Fachleute offensichtlich und bedürfen hierin keiner weiteren Erläuterung. In gleicher Weise ist die Theorie von Oszillatoren, bei denen ein aktives Element an einem Anschluss, der mit einem Resonator beschaltet ist, einen negativen Widerstand bietet, Fachleuten bekannt. Geeignete Beschaltungen eines aktiven Elements, wie z.B. eines Feldeffekttransistors oder eines Bipolartransistors, mit einem Element zur Erzeugung einer Instabilität, wie z.B. einer Induktivität, einer Kapazität und/oder einer Hochfrequenzleitung, um einen solchen negativen Widerstand zu bieten, sind für einen Fachmann ersichtlich und bedürfen eben- falls keiner weiteren Erläuterung.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen somit einen neuartigen Lösungsansatz, um die Schwingfrequenz eines VCOs zu variieren, wobei sich höhere Durch- Stimmbandbreiten realisieren lassen als bei konventionellen Verfahren. Ferner ermöglicht die vorliegende Erfindung eine hervorragende Integrationsmöglichkeit mit bestehenden Schaltungskonzepten, beispielsweise Sende-/Empfangsschal- tungen und Radarschaltungen auf einem Chip, so dass Kom- plettsysteme kleiner, leichter und energiesparender mit geringem Aufwand implementiert werden können.

Claims

Patentansprüche
1. Oszillator, mit spannungsgesteuert einstellbarer Schwingfrequenz, mit folgenden Merkmalen:
einem aktiven Bauelement (10), das an einem Anschluss (G) einen negativen Eingangswiderstand zeigt;
einem Schwingkreis (18a, 18b; 18), der mit dem An- Schluss (G) des aktiven Bauelements (10) , das den negativen Eingangswiderstand zeigt, gekoppelt ist; und
einem Element (20) mit spannungsgesteuert einstellbarem ohmschen Widerstand, durch das die Schwingfre- quenz des Oszillators stufenlos einstellbar ist.
2. Oszillator nach Anspruch 1, bei dem durch das Element mit einstellbarem ohmschen Widerstand (20) die Impedanz des Schwingkreises (18a, 18b) einstellbar ist.
3. Oszillator nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Schwingkreis (18a, 18b) eine Resonatorleitung aufweist, wobei durch das Element (20) mit einstellbarem ohmschen Widerstand die zur Schwingungserzeugung wirksame Länge der Resonatorleitung (18a, 18b) einstellbar ist.
4. Oszillator nach Anspruch 3, bei dem das Element (20) mit einstellbarem ohmschen Widerstand zwischen einen Abgriff (24) der Resonatorleitung (18a, 18b) und ein Referenzpotential geschaltet ist.
5. Oszillator nach Anspruch 3, bei dem das Element (20) mit einstellbarem ohmschen Widerstand seriell zwi- sehen Abschnitte (18a, 18b) der Resonatorleitung geschaltet ist.
6. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem durch das Element (20) mit einstellbarem ohmschen Widerstand die Impedanz einer Schaltungsstruktur (12a, 12b), mit der das aktive Element (10) gekoppelt ist, um den negativen Eingangswiderstand zu zeigen, einstellbar ist.
7. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Element (20) mit einstellbarem ohmschen Wider- stand einen Transistor aufweist.
8. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das Element (20) mit einstellbarem ohmschen Widerstand zwei Zustände aufweist, zwischen denen dasselbe umschaltbar ist.
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